廣電技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換及應(yīng)用

隨著IP高清監(jiān)控逐漸成為安防的發(fā)展趨勢，越來越多的監(jiān)控設(shè)備和管理系統(tǒng)在參考系數(shù)以及應(yīng)用和功能等方面，與廣電領(lǐng)域產(chǎn)生了更多的交集。安防現(xiàn)在經(jīng)歷的高清、網(wǎng)絡(luò)、開放、智能等，如果廣電領(lǐng)域不具備這些能力根本無從談起。本文以廣電領(lǐng)域ASMF系統(tǒng)技術(shù)、智能轉(zhuǎn)場識別技術(shù)、MSB技術(shù)在安防行業(yè)的應(yīng)用為例，探討廣電技術(shù)在安防產(chǎn)業(yè)中的發(fā)展趨勢，以為業(yè)內(nèi)人士提供借鑒。

　　近兩年，安防行業(yè)高速發(fā)展，“平安中國”、“平安城市”以及奧運會的承辦為我國安防產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入勃勃生機，也為我國的安防產(chǎn)業(yè)、企業(yè)提供了快速發(fā)展的機遇，帶動了安防技術(shù)的迅速發(fā)展和提升。近年來的發(fā)展表明，安防技術(shù)的總體趨勢是朝著高清化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向大步邁進(jìn)。而在廣電領(lǐng)域，通過多年的發(fā)展，高清制播、圖像智能化分析和全臺網(wǎng)絡(luò)化等技術(shù)已非常成熟，在各個電視臺中已經(jīng)普遍應(yīng)用。

　　ASMF高碼率可滿足安防高清需求

　　最初，“高清”概念與標(biāo)準(zhǔn)是廣播電視業(yè)提出的。主要有三種標(biāo)準(zhǔn)：720P、1080i、1080P，其畫面寬高比定義為16:9。720P即是1280×720分辨率，1080i與1080P是1920×1080分辨率，后綴“i”和“p”分別表示隔行掃描與逐行掃描。其中，1080P是最高等級的高清視頻清晰度標(biāo)準(zhǔn)。對于快速移動目標(biāo)的圖像采集，相比隔行掃描，逐行掃描可以獲得更好的動態(tài)圖像，隔行掃描將會產(chǎn)生圖像晃動現(xiàn)象。高清視頻編碼最常用的編碼格式是MPEG-2、MPEG-4、H.264和VC-1這四種算法。H.264相對于MPEG-2、 MPEG-4而言，其壓縮效率是三種編碼中最高的。(見圖1)

編碼結(jié)構(gòu)

　　高質(zhì)量、高效率的編解碼器是高清圖像處理的關(guān)鍵，能同時支持高效全格式幀精確編解碼的技術(shù)是構(gòu)建高清安防系統(tǒng)的必要條件。在廣電，根據(jù)高清節(jié)目的內(nèi)容采用了不同的碼率，如低端的新聞、教育等節(jié)目的制作采用較低的18Mbps的碼率，而高端的節(jié)目制作，包括電視劇、體育等一般采用200Mbps的碼率。相對于安防4Mbps到10Mbps的高清碼率，廣電節(jié)目制作系統(tǒng)對高清圖像的編解碼實時處理要求遠(yuǎn)超過安防高清系統(tǒng)的要求。

   　　我們知道MPEG系列壓縮保準(zhǔn)的數(shù)據(jù)流主要是由I、B、P幀構(gòu)成的圖像組(GOP)為一個單元，只有I幀是全幀(參考幀)，而B、P是預(yù)測幀，在數(shù)據(jù)流播放過程中，若直接對碼流進(jìn)行切換，必須等到I幀到來，這樣就產(chǎn)生了時延，延遲時間取決于圖像組(GOP)的長度。是否不必從I幀作為入口，而做到精確任意幀播放和檢索?這是可以的，在廣電的非線性編輯系統(tǒng)中就實現(xiàn)了幀精確的播放和快速連續(xù)搜索，在播放和搜索過程中，可流暢地看到每一幀，并能精確地停在任何一幀(I、B、P幀)，可以逐幀搜索，還可實現(xiàn)精確快速連續(xù)倒放和逐幀倒放搜索。同樣，對于H.264、MPEG-4壓縮格式也實現(xiàn)了毫秒級響應(yīng)的幀精確定位。而在安防領(lǐng)域目前普遍只做到了秒級檢索定位。

　　眾所周知，高清意味著高碼率，如何在實現(xiàn)高碼率數(shù)據(jù)存儲時，兼顧高安全性、高實時性、高性能的要求?為了解決這個問題，我們需從文件格式著手。MXF是英文Material Exchange Format(文件交換格式)的詞頭縮寫，MXF被設(shè)計可用于包裝MPEG–2數(shù)據(jù)流、DV數(shù)據(jù)流、YUV數(shù)據(jù)流、PCM音頻文件以及幾種格式的數(shù)據(jù)庫文件(同步或非同步模式)。MXF可以同時處理打包多條軌道的音視頻和數(shù)據(jù)庫文件，它被設(shè)計為既支持流媒體傳輸又支持文件的傳輸。在專業(yè)廣播電視環(huán)境中MXF被廣泛使用，結(jié)合安防監(jiān)控高清碼流數(shù)據(jù)的特點，我們在MXF基礎(chǔ)上設(shè)計了一種專用于高清圖像存儲的格式，稱為高級媒體文件系統(tǒng)(Advanced Security Media Format)縮寫為ASMF。

　　文件由文件頭、文件體和文件尾組成。文件頭作為文件的開始包含了該文件視音頻軌道數(shù)、時間長度等基本結(jié)構(gòu)信息，文件體用來存放視音頻數(shù)據(jù)和對應(yīng)的索引等信息，文件尾作為文件結(jié)束點，用來包含最終的媒體和元數(shù)據(jù)信息，同時可以利用其中的關(guān)閉與否的標(biāo)記，來決定更新信息是否可用。

　　ASMF完全獨立于操作系統(tǒng)，直接對磁盤進(jìn)行讀寫操作，具有極高的I/O讀寫性能，全面滿足高清系統(tǒng)讀寫要求。通過智能磁盤I/O調(diào)度算法，可有效避免磁盤讀寫“沖突”。分散式實時備份的ASMF RAID能夠提供大于RAID0+1的數(shù)據(jù)安全性，確保磁盤意外損壞的情況下讓數(shù)據(jù)不受到影響。(見圖2)

文件系統(tǒng)格式

   同時，ASMF文件支持通道、多個不同時間片斷視音頻數(shù)據(jù)的聚合保存。使得各個音視頻片斷之間建立關(guān)聯(lián)，更加富有邏輯性。比如我們可以把一個案件相關(guān)的幾個攝像頭錄制的場景，幾個涉案人物對應(yīng)的片段都存放在同一個文件中，與之相關(guān)的事件信息，場景描述信息，關(guān)鍵段落信息等元數(shù)據(jù)(MetaData)作為輔助和描述信息也保存在ASMF文件中，從而使資料使用過程中具有更好的訪問性能和更方便高效的提取和操作。

　　ASMF文件格式支持內(nèi)容的高效訪問和快速“幀精確”定位。支持多層、分布、金字塔式的超級索引模式，定位時采用逐層分段查詢訪問的方式，能夠快速精確定到文件中的任意幀及視頻段，而不需要分析整個索引，極大地提高文件定位和響應(yīng)。

   轉(zhuǎn)場智能識別技術(shù)在安防的應(yīng)用

　　另一方面，廣電領(lǐng)域中獨具特色的智能化轉(zhuǎn)場識別技術(shù)也可用于安防系統(tǒng)。轉(zhuǎn)場是視頻場景與場景之間的過渡或轉(zhuǎn)換，例如在報道一家企業(yè)時，前一場最后一個鏡頭是在企業(yè)拍攝的產(chǎn)品，下一個鏡頭是在市場拍攝的產(chǎn)品，報道就由車間轉(zhuǎn)到了商店，由生產(chǎn)轉(zhuǎn)到了銷售，這個場景的轉(zhuǎn)換在廣電領(lǐng)域就稱為轉(zhuǎn)場。當(dāng)時這個轉(zhuǎn)場智能識別技術(shù)被國外廠商所掌握，后來國內(nèi)的廠商通過自主研發(fā)掌握了轉(zhuǎn)場識別核心技術(shù)。

　　通過轉(zhuǎn)場智能識別技術(shù)，能對存儲的素材按轉(zhuǎn)場進(jìn)行鏡頭分割，自動生成該素材的分鏡頭列表，并提供快速的分鏡頭定位。從目的上講，智能轉(zhuǎn)場識別與安防的移動偵測識別的目標(biāo)是一致的，都是通過檢測圖像的畫面變化識別出不同的場景，不過轉(zhuǎn)場智能識別技術(shù)屬于更高級的視頻分析技術(shù)，識別的精度更高。并且基于轉(zhuǎn)場智能識別技術(shù)，可進(jìn)一步實現(xiàn)圖像的黑場、彩條、雪花的檢測，這些技術(shù)在安防系統(tǒng)中可用于檢測攝像機的工作狀態(tài)，成為自動檢測攝像機圖像系統(tǒng)工作狀態(tài)的技術(shù)手段。

　　在廣電領(lǐng)域中，體育節(jié)目制作部門會經(jīng)常制作一個足球精彩射門集錦，以前都是通過制作人員逐個瀏覽足球賽錄像資料，將其中的精彩片段剪輯到一起，非常耗時，工作效率非常低。后來廣電設(shè)備廠商針對這個問題研發(fā)了一個足球精彩度分析智能算法，能自動分析錄像中足球射門鏡頭，并這些鏡頭自動剪輯成一個短片，制作人只需對剪輯完成的短片做出簡單調(diào)整就可播出，極大地縮短了節(jié)目制作周期。這里的足球精彩度分析智能算法其實就是安防領(lǐng)域中提到的視頻智能算法，通過識別畫面中的人群密度，足球運動速度、球門的特征和守門員特殊的服裝顏色等參數(shù)準(zhǔn)確識別出射門的精彩鏡頭。

　　除了基于視頻的圖像智能分析外，廣電還有語音的智能分析技術(shù)，主要用于分析播音員的聲音，通過聲音識別自動對齊屏幕下方的字幕。在安防領(lǐng)域該技術(shù)可應(yīng)用到監(jiān)控環(huán)境中的異常聲響的識別，如爆炸聲、槍聲、呼救聲等。

　　MSB在網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控領(lǐng)域的優(yōu)勢

　　目前，隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的發(fā)展，視頻監(jiān)控開始向道路交通、企業(yè)信息化、家庭、教育、醫(yī)療等新的應(yīng)用領(lǐng)域滲透。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控具有獨特的優(yōu)勢，與模擬和數(shù)字監(jiān)控技術(shù)相比，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控利用了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和低成本擴展監(jiān)控范圍。然而我們也應(yīng)該看到，當(dāng)前安防網(wǎng)絡(luò)化的重點側(cè)重在多個監(jiān)控子系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控與相關(guān)業(yè)務(wù)、與工作流程的結(jié)合還比較少。在這方面，廣電領(lǐng)域的MSB(媒體服務(wù)總線，見圖3)高清全臺網(wǎng)的技術(shù)體系架構(gòu)就與用戶的業(yè)務(wù)和流程結(jié)合的較好，通過在中央電視臺、奧運會等項目的運用，取得了不錯的效果，非常值得廣大安防廠商在設(shè)計視頻監(jiān)控系統(tǒng)時借鑒。

高清系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    　在廣電領(lǐng)域中，MSB是根據(jù)行業(yè)特點，以SOA為技術(shù)理論基礎(chǔ)，結(jié)合多種開發(fā)技術(shù)及協(xié)議規(guī)范，用于電視臺全臺信息化建設(shè)的核心架構(gòu)。MSB分為兩個部分：架構(gòu)和協(xié)議規(guī)范。從架構(gòu)上講，MSB是面向廣電行業(yè)、各行業(yè)多媒體相關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)平臺及業(yè)務(wù)整合目標(biāo);以SOA思想為藍(lán)本，吸收了SOA里ESB、BEPL等先進(jìn)理念。具有SOA體系松耦合、協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由、流程定義等所有的核心優(yōu)點;支持媒體總線功能。實現(xiàn)媒體文件的松耦合、格式轉(zhuǎn)換、路由及交換功能;以“服務(wù)”為主的思路實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的互聯(lián)互通。從協(xié)議規(guī)范的角度來說，MSB用XML schema逐步定義了一套基于電視臺典型業(yè)務(wù)抽象的業(yè)務(wù)規(guī)范;用“服務(wù)”、“接口”、“參數(shù)”具體表現(xiàn)了業(yè)務(wù)規(guī)范。

    每個模塊定義的主要功能如下：

　　· 系統(tǒng)資源注冊：實現(xiàn)各個系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)類別、技術(shù)體系類別等、通信地址等參數(shù)注冊及存儲;

　　· 協(xié)議轉(zhuǎn)換中介：以“技術(shù)實現(xiàn)無關(guān)的業(yè)務(wù)規(guī)范”為準(zhǔn)則，實現(xiàn)了不同技術(shù)封裝的業(yè)務(wù)協(xié)議的格式轉(zhuǎn)換。還可進(jìn)一步實現(xiàn)規(guī)范內(nèi)容轉(zhuǎn)換;

　　· 媒體處理中介：實現(xiàn)了媒體的遷移、格式轉(zhuǎn)換、媒體分析等功能間接口;

　　· 信息總線：承載元數(shù)據(jù)通訊的邏輯鏈路;

　　· 業(yè)務(wù)規(guī)范：完成了與技術(shù)實現(xiàn)無關(guān)的業(yè)務(wù)規(guī)范基礎(chǔ)框架制定，并給出了和協(xié)議封裝無關(guān)的XSD定義;

　　· 媒體總線：承載媒體文件流動的邏輯鏈路;

　　· 業(yè)務(wù)監(jiān)控及管理服務(wù)：提供獲取注冊在總線上的系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)，瀏覽系統(tǒng)運行日志，干預(yù)服務(wù)運行狀態(tài)的服務(wù)接口;

　　· 業(yè)務(wù)流程定義服務(wù)：提供按用戶設(shè)置策略，定義幾個系統(tǒng)間的服務(wù)執(zhí)行流程的服務(wù)接口。

　　從宏觀來看，MSB是一個總線的結(jié)構(gòu)，其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)都通過一個服務(wù)接口層插接在總線上。從整個概念來講，它更像一塊無源的工控機主板，里面駐留了一些基礎(chǔ)的配置模塊和路由模塊。業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的插接件，接入到不同規(guī)格的接口上。

　　總的來說，廣電領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)在安防領(lǐng)域中具有很大可移植性，為安防系統(tǒng)的建設(shè)、整合、發(fā)展提供了一個新的思路。一方面我們可采取拿來主義，將廣電領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)借鑒到安防系統(tǒng)的建設(shè)中，另一方面，我們也要根據(jù)安防的特點做技術(shù)創(chuàng)新，共同推動智能高清監(jiān)控時代的來臨。